Towards Automation Process of 3D Printing in Construction under Uncontrolled Environment
Vers un processus d’automatisation de l’impression 3D dans la construction en environnement non contrôlé
Résumé
Additive Manufacturing (AM) with concrete material, also known as 3D Concrete Printing (3DCP), has gained increasing attention in the construction industry as well as in academia across various research fields including material science, automatic control, and robotics. This technology enables the fabrication of designed 3D complex geometries in a layer-by-layer manner, using construction materials such as concrete that can come from recycled demolition wastes containing RFA (Recyclable Fine Aggregates). A robotic system guides a nozzle that deposits material along a defined trajectory. Most 3DCP technologies are performed under controlled environments without environmental disturbances. However, in uncontrolled environments, changes in temperature and humidity can significantly affect the rheological properties of the fresh concrete, thereby impacting print quality. Specifically, the material behavior changes, causing the width of the material filament to deviate from its desired value. To address the issue of printing process control under uncontrolled environments, this thesis work focuses on adaptive compensation for deviations in material filament width during deposition. The printing process involves a trade-off between two different dynamics: a rapid dynamic system, namely the robot, which is a mechatronic system, and a slow dynamic system, namely material pumping, which is a fluid mechanical system. Thus, the research question consists of: How to adapt the printing robot's velocity along the trajectory to maintain continuous and consistent material deposition, under the constraints of trajectory curvature, desired material filament width, and flow rate, while accounting for fluctuations in external temperature and humidity. For this purpose, an integrated approach has been proposed that covers the overall process: pre-printing, in-printing, and post-printing
La fabrication additive à base des matériaux dérivés du béton, également connue sous le nom d'impression 3D en béton (3DCP), a gagné de plus en plus d'attention dans l'industrie de la construction ainsi que dans le monde académique dans divers domaines de recherche, y compris les sciences des matériaux, l'automatique et la robotique. Cette technologie permet la fabrication de géométries complexes 3D, conçues suivant un dépôt contenu couche par couche, en utilisant des matériaux de construction tels que le béton recyclé issu de déchets de démolition contenant des AFR (agrégats fins recyclables). Un système robotique est utilisé dans le processus d'impression pour guider une buse qui dépose du matériel le long d'une trajectoire définie. La plupart des technologies 3DCP sont effectuées dans des environnements contrôlés sans perturbations extérieures. Cependant, dans des environnements non contrôlés, des changements de température et d'humidité peuvent affecter considérablement les propriétés rhéologiques du béton frais, ce qui a un impact sur la qualité de l'impression. Plus précisément, le comportement du matériau change, ce qui fait dévier la largeur du filament du matériau de sa valeur souhaitée. Pour aborder le problème du contrôle/commande du processus d'impression 3D dans la construction dans des environnements non contrôlés, ce travail de thèse se concentre sur la compensation adaptative des écarts de largeur du filament de matériau pendant le dépôt. Le processus d'impression implique un compromis entre deux dynamiques différentes : un système dynamique rapide, à savoir le robot, qui est un système mécatronique, et un système dynamique lent, à savoir le pompage du matériel, qui est un système de mécanique des fluides. Ainsi, la question de recherche consiste à : Comment adapter la vitesse du robot d'impression le long de la trajectoire pour maintenir un dépôt de matériau continu et cohérent, sous les contraintes de courbure de la trajectoire, de largeur de filament de matériau souhaitée et de débit, tout en tenant compte des fluctuations de la température et de l'humidité externes. À cet effet, une approche intégrée a été proposée qui couvre l'ensemble du processus : pré-impression, impression et post-impression.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|